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Among all imaging techniques that have been invented throughout the last decades, computer graphics is one of the most successful tools today. Many areas in science, entertainment, education, and engineering would be unimaginable without the aid of 2D or 3D computer graphics. The reason for this success story might be its interactivity, which is an important property that is still not provided efficiently by competing technologies – such as holography. While optical holography and digital holography are limited to presenting a non-interactive content, electroholography or computer generated holograms (CGH) facilitate the computer-based generation and display of holograms at interactive rates [2,3,29,30]. Holographic fringes can be computed by either rendering multiple perspective images, then combining them into a stereogram [4], or simulating the optical interference and calculating the interference pattern [5]. Once computed, such a system dynamically visualizes the fringes with a holographic display. Since creating an electrohologram requires processing, transmitting, and storing a massive amount of data, today’s computer technology still sets the limits for electroholography. To overcome some of these performance issues, advanced reduction and compression methods have been developed that create truly interactive electroholograms. Unfortunately, most of these holograms are relatively small, low resolution, and cover only a small color spectrum. However, recent advances in consumer graphics hardware may reveal potential acceleration possibilities that can overcome these limitations [6]. In parallel to the development of computer graphics and despite their non-interactivity, optical and digital holography have created new fields, including interferometry, copy protection, data storage, holographic optical elements, and display holograms. Especially display holography has conquered several application domains. Museum exhibits often use optical holograms because they can present 3D objects with almost no loss in visual quality. In contrast to most stereoscopic or autostereoscopic graphics displays, holographic images can provide all depth cues—perspective, binocular disparity, motion parallax, convergence, and accommodation—and theoretically can be viewed simultaneously from an unlimited number of positions. Displaying artifacts virtually removes the need to build physical replicas of the original objects. In addition, optical holograms can be used to make engineering, medical, dental, archaeological, and other recordings—for teaching, training, experimentation and documentation. Archaeologists, for example, use optical holograms to archive and investigate ancient artifacts [7,8]. Scientists can use hologram copies to perform their research without having access to the original artifacts or settling for inaccurate replicas. Optical holograms can store a massive amount of information on a thin holographic emulsion. This technology can record and reconstruct a 3D scene with almost no loss in quality. Natural color holographic silver halide emulsion with grain sizes of 8nm is today’s state-of-the-art [14]. Today, computer graphics and raster displays offer a megapixel resolution and the interactive rendering of megabytes of data. Optical holograms, however, provide a terapixel resolution and are able to present an information content in the range of terabytes in real-time. Both are dimensions that will not be reached by computer graphics and conventional displays within the next years – even if Moore’s law proves to hold in future. Obviously, one has to make a decision between interactivity and quality when choosing a display technology for a particular application. While some applications require high visual realism and real-time presentation (that cannot be provided by computer graphics), others depend on user interaction (which is not possible with optical and digital holograms). Consequently, holography and computer graphics are being used as tools to solve individual research, engineering, and presentation problems within several domains. Up until today, however, these tools have been applied separately. The intention of the project which is summarized in this chapter is to combine both technologies to create a powerful tool for science, industry and education. This has been referred to as HoloGraphics. Several possibilities have been investigated that allow merging computer generated graphics and holograms [1]. The goal is to combine the advantages of conventional holograms (i.e. extremely high visual quality and realism, support for all depth queues and for multiple observers at no computational cost, space efficiency, etc.) with the advantages of today’s computer graphics capabilities (i.e. interactivity, real-time rendering, simulation and animation, stereoscopic and autostereoscopic presentation, etc.). The results of these investigations are presented in this chapter.
This master thesis explores an important and under-researched topic on the so-called bridging of length scales (from >meso< to >macro<), with the concept of homogenization in which the careful characterization of mechanical response requires that the developed material model >bridge< the representations of events that occur at two different scales. The underlying objective here is to efficiently incorporate material length scales in the classical continuum plasticity/damage theories through the concept of homogenization theory. The present thesis is devoted to computational modeling of heterogeneous materials, primarily to matrix-inclusion type of materials. Considerations are focused predominantly on the elastic and damage behavior as a response to quasistatic mechanical loading. Mainly this thesis focuses to elaborate a sound numerical homogenization model which accounts for the prediction of overall properties with the application of different types of boundary conditions namely: periodic, homogeneous and mixed type of boundary conditions over two-dimensional periodic and non-periodic RVEs and three-dimensional non-periodic RVEs. Identification of the governing mechanisms and assessing their effect on the material behavior leads one step further. Bringing together this knowledge with service requirements allows for functional oriented materials design. First, this thesis gives attention on providing the theoretical basic mechanisms involved in homogenization techniques and a survey will be made on existing analytical methods available in literature. Second, the proposed frameworks are implemented in the well known finite element software programs ANSYS and SLang. Simple and efficient algorithms in FORTRAN are developed for automated microstructure generation using RSA algorithm in order to perform a systematic numerical testing of microstructures of composites. Algorithms are developed to generate constraint equations in periodic boundary conditions and different displacements applied spatially over the boundaries of the RVE in homogeneous boundary conditions. Finally, nonlinear simulations are performed at mesolevel, by considering continuum scalar damage behavior of matrix material with the linear elastic behavior of aggregates with the assumption of rigid bond between constituents.
The hydraulic properties of the polymer-enhanced bentonite-sand mixtures (PEBSMs) investigated in this study consisted of the water retention behaviour (or the soil-water characteristic curve (SWCC)) and the saturated and unsaturated coefficients of permeability. The SWCCs of the compacted polymer-enhanced bentonite-sand mixtures were measured using two techniques; namely, axis-translation technique and vapour equilibrium technique. The results obtained from both methods were combined to establish a single SWCC for each specimen. The saturated coefficient of permeability of the material was measured using the constant-head flexible wall permeameter method. The unsaturated coefficient of permeability was computed from the SWCCs and the saturated permeability values using the statistical model. The study revealed that the wetting curves for the PEBSM and clay are above the drying curves. The fact is thought be due to the specimens being not saturated before starting the drying tests. Since the specimens are expensive soil such a trend can be expected. The permeability deduced from the oedometer test data over-estimates the actual water flow rate resulting in a higher computed saturated coefficient of permeability compared to the measured values. The nets of polymer and bentonite clusters are thought to retard the flow of water during the direct measurement. However, the net of polymer and bentonite clusters are compressed during loading and rebound during unloading. Hysteresis effect was found for the PEBSMs in the permeability versus degree of saturation curve. This is due to possible difference in the spatial distribution of water in the specimens depending whether the specimens were on drying or wetting path.
Bei der grundbautechnischen Bemessung und der Errichtung von Bauwerken im Grundwasser sind die wesentlichen Einwirkungen auf hydrodynamische Effekte zurückzuführen. Die zu-verlässige Funktion eines solchen Bauwerkes ist maßgeblich von der richtigen Einschätzung der unterschiedlichen Effekte abhängig. Aufgabe ist es, hydraulisch bedingte Versagensformen wie Hydraulischer Grundbruch, innere Erosion, Aufschwimmen und Auftrieb zu charakterisieren und voneinander abzugrenzen, ty-pische Beispiele dieser Versagensformen zu nennen, Interaktionen zwischen ihnen aufzu-zeichnen und zu quantifizieren sowie Einflussparameter und Grenzzustände zu beschreiben. Aufbauend auf diesen Betrachtungen soll am praktischen Beispiel einer Baugrubensicherung durch konventionelle Rechnung und numerische Simulation das Versagensprinzip des Hyd-raulischen Grundbruches in nicht bindigem Boden nachvollzogen werden. Die Ergebnisse der Analyse sind unter dem Gesichtspunkt der Richtigkeit der zugrunde liegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten zu bewerten.
The report is part of the research project 'TAILSAFE'. The project is supported by the european union. Basics of design and investigation procedures are presented within the report. Furthermore possible applications of design and investigation procedures are evaluated concerning to a smooth work during all using phases of a tailings facility, that is the planning and execution. Finally recomendations are given to optimise the handling with significant standards.
In displacement oriented methods of structural mechanics may static and dynamic equilibrium conditions lead to large coupled nonlinear systems of equations. In many cases they are solved iteratively utilizing derivatives of Newton's method. Alternatively, the equations may be expressed in terms of the Karush-Kuhn-Tucker conditions of an optimization problem and, therefore, may be solved using methods of mathematical programming. To begin with, the work deals with the fundamentals of the formulation as optimization problem. In particular, the requirements of material nonlinearity and contact situations are analyzed. Proximately, an algorithm is implemented which utilizes the usually sparse structure of the Hessian matrix, whereby particularly the convergence behaviour is analyzed and adjusted. The implementation was tested using examples from statics and dynamics of large systems. The results are verified considering the accuracy comparing alternative solutions (e.g. explicit methods). The potential areas of application is shown and the efficiency of the method is evaluated.
Die Finite-Elemente-Methode entwickelte sich in den letzten beiden Jahrzehnten zu einem wichtigen und mächtigen Werkzeug für Berechnungen im Ingenieurwesen. Waren zu Beginn dieser Entwicklung nur kleine Probleme lösbar, sind mit der heutigen Rechentechnik Systeme mit vielen Tausend Freiheitsgraden berechenbar. Durch diese Entwicklung werden Berechnungen von sehr komplizierten Strukturen möglich. Besonders in der Automobilindustrie kann mit einem solchen Verfahren die Konstruktion von Strukturen verbessert und optimiert werden. Um gute Ergebnisse bei den Berechnungen erzielen zu können müssen Programme entwickelt werden, die entsprechende mathematische Methoden enthalten. Besonders im Maschinenbau, aber auch in anderen Ingenieurbereichen wie dem Bauwesen, werden häufig gekrümmte dünne Schalenstrukturen untersucht. Eine effiziente und logische Konsequenz daraus ist die Nutzung von Schalenelementen innerhalb der FE-Berechnungen. Wird nun noch Wert auf eine realitätsnahe Modellierung gelegt, dann lässt es sich oft nicht vermeiden von der im Bauwesen üblichen Theorie erster Ordnung in eine nichtlineare Berechnungstheorie zu wechseln. Hierfür sind Methoden notwendig, die es vermögen diese Theorie abzubilden. Sollen Schalenstrukturen mit großen Verschiebungen betrachtet werden, ist es notwendig, die linearen Elementformulierungen um die nichtlinearen Ansätze der Strukturmechanik zu erweitern. Die Grundlage dieser Formulierung stellt oft die Lagrange'sche Betrachtungsweise dar, die Berechnungen an Strukturen mit großen Verformungen zulässt. Die Inhalte dieser Formulierung werden in Abschnitt 1.5 dieser Arbeit betrachtet. Räumlich veränderlichen Strukturen, also solche mit großen Verformungen, sind im Allgemeinen mit großen Rotationen verknüpft. Diese Rotationen werden bei Volumenelementen durch die unterschiedliche Verschiebung zweier benachbarter Elementknoten realisiert. Bei der Formulierung von dünnen Schalenelementen wird hingegen die Struktur als gekrümmte Raumfläche betrachtet. Da in Dickenrichtung nur ein Elementknoten zur Verfügung steht, muss die Rotation über eine andere Formulierung in die Berechnung einfließen. Ansätze zu allgemeinen großen Rotationen werden im Kapitel 2 betrachtet und für den Einsatz in einer Elementformulierung vorbereitet. Für die beschriebenen Schalenstrukturen werden häufig vierknotige Elemente genutzt, da mit ihnen Strukturen in einfacher Weise abgebildet werden können. Ein weiterer Vorteil besteht in der sich ergebenden geringen Bandbreite der Elementmatrizen. Diese Elementgruppe besitzt jedoch bei der klassischen isoparametrischen Formulierung einen großen Nachteil, der in der Erzeugung von parasitären Steifigkeitsanteilen besteht. Um dieses Sperrverhalten, was auch als 'Locking' bekannt ist, zu minimieren wurden in der Vergangenheit verschiedene Ansätze entwickelt. Ein sehr effizienter Ansatz zur Minimierung des Transversalschublockings bei bilinearen Schalenelementen stellt das Verfahren der veränderten Verzerrungsverläufe auf Elementebene dar. Dieses Verfahren wird vielfach in der Literatur aufgegriffen und als 'Assumed-Natural-Strain'-Ansatz oder als 'Mixed Interpolation of Tensorial Components' bezeichnet. Dieses Verfahren wird im Abschnitt 1.6 vorgestellt. Das Programmsystem SLang ermöglicht eine Berechnung von Strukturen mittels der Finite-Elemente-Methode. Um mit diesem Programm auch nichtlineare Probleme an Schalentragwerken berechnen zu können, wird im Rahmen dieser Diplomarbeit ein vierknotiges nichtlineares Schalenelement implementiert, das die genannten Ansätze für große Verformungen und finite Rotationen enthält. Für die Vermeidung von Transversalschublocking wird ein ANS-Ansatz in die Formulierung integriert. Das Kapitel 3 beschreibt die Formulierung dieses SHELL4N-Elementes. Dort werden die Elementmatrizen und deren Aufbau ausführlich dargestellt. Einige numerische Berechnungsbeispiele mit diesem neuen Element werden zur Evaluierung im Kapitel 4 dieser Arbeit dargestellt.
Diese Arbeit stellt die Implementierung von Scheibenelementen mit B-Spline Ansätzen n-ter Ordnung speziell für rechteckige Gebiete mit orthogonaler Vernetzung vor. Dabei kam insbesondere eine spezielle elementbasierte Formulierung auf Grundlage der einzelnen B-Spline Segmente zum Einsatz, die zur Aufbringung von Randbedingungen an den Rändern modifizierte B-Splines benutzt. In der Folge entstehen verschiedene Elementtypen zur Diskretisierung von rechteckigen Gebieten, deren Erzeugung, Speicherung und Anwendung im Zusammenhang mit der Finiten Elemente Methode Gegenstand der Arbeit sind. Anhand von untersuchten Beispielen werden die erfolgreiche Implementierung nachgewiesen und verschiedene Eigenschaften der Methode herausgestellt.
Dieser Beitrag versucht, einige Aspekte der individuellen Lebensentwicklung mit den Möglichkeiten wirksamen Arbeitsschutzes zu verknüpfen. Er wirt damit die Frage auf, ob und wie die Sensibilisierung für Sicherheit und Gesundheitsschutz, für vorbeugende Maßnahmen und für die Akzeptanz bei den Betroffenen verbessert werden kann. Was hat Arbeitsschutz mit dem Lebensalter zu tun? Verhalten sich Routiniers im Bauwesen anders als Berufanfänger?
Klangwolken
(2005)
In einer Musik, die ihren Rückhalt nicht mehr in überlieferten Formen sucht, verstehen sich Anfänge nicht von selbst. Richard Wagner hat sich dieser Schwierigkeit ästhetischer Formsetzung auf eine ebenso einfache wie elegante Weise entledigt. Das Vorspiel seiner Oper 'Das Rheingold' (1854) hört über 136 Takte hinweg nicht auf anzufangen. ... Der Anfang des 'Rheingoldes' ist scheinbar den Gesetzen der Natur abgelauscht. ...